Какое состояние имеет ядро земли. Что в центре Земли? История открытия земного ядра

Земля вместе с другими телами Солнечной системы сформировалась из холодного газопылевого облака путем аккреции составивших ее частиц. После возникновения планеты начался совершенно новый этап ее развития, который в науке принято называть догеологическим.
Название периода связано с тем, что самые ранние свидетельства былых процессов – магматические или вулканические породы – не древнее 4 млрд лет. Только их сегодня могут изучить ученые.
Догеологический этап развития Земли таит в себе еще немало загадок. Он охватывает период в 0,9 млрд лет и характеризуется широким проявлением на планете вулканизма с выделением газов и паров воды. Именно в это время начался процесс расслоения Земли на основные оболочки – ядро, мантию, кору и атмосферу. Предполагается, что данный процесс был спровоцирован интенсивной метеоритной бомбардировкой нашей планеты и плавлением отдельных ее частей.
Одним из ключевых событий в истории Земли было формирование ее внутреннего ядра. Вероятно, это произошло в догеологический этап развития планеты, когда все вещество разделилось на две основные геосферы – ядро и мантию.
К сожалению, достоверной теории об образовании земного ядра, которая подтверждалась бы серьезными научными сведениями и доказательствами, пока не существует. Как все-таки образовалось ядро Земли? На этот вопрос ученые предлагают две основные гипотезы.
Согласно первой версии, вещество непосредственно после возникновения Земли было однородным.
Оно целиком состояло из микрочастиц, которые можно сегодня наблюдать в метеоритах. Но по прошествии определенного промежутка времени эта первично-однородная масса разделилась на тяжелое ядро, куда стекло все железо, и более легкую силикатную мантию. Иными словами, капли расплавленного железа и сопутствовавшие ему тяжелые химические соединения оседали к центру нашей планеты и образовывали там ядро, которое и в наши дни остается в значительной степени расплавленным. По мере того как тяжелые элементы стремились к центру Земли, легкие шлаки наоборот всплывали наверх – к внешним слоям планеты. Сегодня эти легкие элементы составляют верхнюю мантию и земную кору.
Почему произошла такая дифференциация вещества? Считается, что сразу после завершения процесса своего формирования Земля стала интенсивно разогреваться, прежде всего за счет энергии, выделявшейся в процессе гравитационной аккумуляции частиц, а также благодаря энергии радиоактивного распада отдельных химических элементов.
Дополнительному разогреву планеты и образованию железоникелевого сплава, который в силу своего значительного удельного веса постепенно опускался к центру Земли, способствовала предполагаемая метеоритная бомбардировка.
Правда, эта гипотеза сталкивается с некоторыми трудностями. Например, не совсем понятно, каким же образом железоникелевый сплав даже в жидком состоянии смог опуститься на более чем тысячу километров и достичь района ядра планеты.
В соответствии со второй гипотезой ядро Земли сформировалось из железных метеоритов, которые сталкивались с поверхностью планеты, и позже оно обросло силикатной оболочкой из каменных метеоритов и сформировало мантию.

В этой гипотезе есть серьезный недостаток. При таком раскладе в космическом пространстве железные и каменные метеориты должны существовать раздельно. Современные же исследования показывают, что железные метеориты могли возникнуть лишь в недрах планеты, распавшейся под значительным давлением, то есть уже после образования нашей Солнечной системы и всех планет.
Первая версия выглядит логичнее, поскольку предусматривает динамичную границу между ядром Земли и мантией. Это означает, что процесс разделения вещества между ними мог продолжаться на планете еще очень долгое время, оказывая тем самым большое влияние на дальнейшую эволюцию Земли.
Таким образом, если брать за основу первую гипотезу формирования ядра планеты, то процесс дифференциации вещества растянулся примерно на 1,6 млрд лет. За счет гравитационной дифференциации и радиоактивного распада обеспечивалось разделение вещества.
Тяжелые элементы опускались только до глубины, ниже которой вещество было такое вязкое, что железо погружаться уже не могло. В результате этого процесса образовался очень плотный и тяжелый кольцевой слой расплавленного железа и его окиси. Он располагался над более легким веществом первозданной сердцевины нашей планеты. Далее произошло выдавливание легкого силикатного вещества из центра Земли. Причем оно было вытеснено на экваторе, что, возможно, положило начало асимметрии планеты.
Предполагается, что при формировании железного ядра Земли произошла значительная убыль объема планеты, вследствие чего ее поверхность к настоящему времени уменьшилась. «Всплывшие» к поверхности легкие элементы и их соединения сформировали тонкую первичную кору, которая состояла, как и у всех планет земной группы, из вулканических базальтов, перекрытых сверху толщей отложений.
Однако найти живые геологические свидетельства былых процессов, связанных с формированием земного ядра и мантии, не удается. Как уже отмечалось, древнейшие каменные породы на планете Земля имеют возраст около 4 млрд лет. Скорее всего, в начале эволюции планеты под действием высоких температур и давлений первичные базальты метаморфизировались, переплавились и преобразовались в известные нам гранитно-гнейсовые породы.
Что же представляет собой ядро нашей планеты, сформировавшееся, вероятно, на самых ранних этапах развития Земли? Оно состоит из внешней и внутренней оболочек. Согласно научным предположениям, на глубине 2900-5100 км находится внешнее ядро, которое по своим физическим свойствам приближается к жидкости.
Внешнее ядро представляет собой потоки расплавленного железа и никеля, хорошо проводящие электричество. Именно с этим ядром ученые связывают происхождение земного магнитного поля. Оставшийся до центра Земли промежуток в 1270 км занимает внутреннее ядро, на 80 % состоящее из железа и на 20 % – из диоксида кремния.
Внутреннее ядро отличается твердостью и высокой температурой. Если внешнее непосредственно связано с мантией, то внутреннее ядро Земли существует само по себе. Твердость его, несмотря на высокие температуры, обеспечивается гигантским давлением в центре планеты, которое может достигать 3 млн атмосфер.
Многие химические элементы в результате переходят в металлическое состояние. Поэтому даже высказывалось предположение, что внутреннее ядро Земли состоит из металлического водорода.
Плотное внутреннее ядро оказывает серьезное влияние на жизнь нашей планеты. В нем сосредоточено планетарное гравитационное поле, которое удерживает от разлета легкие газовые оболочки, гидросферу и геосферные слои Земли.
Вероятно, такое поле было характерно для ядра с момента формирования планеты, каким бы оно ни было тогда по своему химическому составу и строению. Оно способствовало стягиванию формировавшихся частиц к центру.
Все же происхождение ядра и изучение внутреннего строения Земли – самая актуальная проблема для ученых, вплотную занимающихся исследованием геологической истории нашей планеты. До окончательного решения этого вопроса еще очень далеко. Чтобы избежать различных противоречий, в современной науке принята гипотеза о том, что процесс образования ядра начал происходить одновременно с формированием Земли.

20321 0

Используя тонкое сочетание ускорителей частиц, рентгеновских лучей, высокоинтенсивных лазеров, алмазов и атомов железа, учёные сумели вычислить температуру внутреннего ядра нашей планеты.

Согласно новым подсчётам, она составляет 6000 градусов по Цельсию, что на тысячу градусов выше, чем считалось ранее.

Таким образом, ядро планеты Земля имеет более высокую температуру, чем поверхность Солнца.

Новые данные могут повлечь за собой переосмысление считавшимися непреложными фактов в таких областях знания, как геофизика, сейсмология, геодинамика и других ориентированных на изучение планеты дисциплинах.

Если смотреть с поверхности вглубь, Земля состоит из коры, твёрдой верхней мантии, далее по большей части твёрдой мантии, внешнего ядра из расплавленного железа и никеля и внутреннего ядра из твёрдого железа и никеля. Внешнее ядро находится в жидком состоянии по причине высоких температур, но более высокое давление во внутреннем ядре препятствует расплавлению породы.

Расстояние от поверхности до центра Земли составляет 6371 км. Толщина коры равняется 35 км, мантии 2855 км; на фоне таких расстояний Кольская сверхглубокая скважина глубиной 12 км выглядит сущим пустяком. По существу, о том, что происходит под корой, достоверно нам ничего не известно. Все наши данные основаны на сейсмических волнах землетрясений, отражающихся от различных слоёв Земли, и жалких крох, попадающих на поверхность из глубины, как вулканическая магма.

Естественно, учёные с превеликим удовольствием пробурили бы скважину до самого ядра, но с нынешним уровнем развития технологий осуществление этой задачи не представляется возможным. Уже на двенадцати километрах бурение Кольской скважины пришлось прекратить, так как температура на такой глубине составляет 180 градусов.

На пятнадцати километрах температура прогнозируется на уровне в 300 градусов, и при ней современные буровые установки работать не смогут. И уж тем более сейчас и близко нет технологий, которые дали бы возможность вести бурение в мантии, в диапазоне температур 500-4000 градусов. Не стоит забывать и о практичной стороне дела: за пределами коры нет нефти, так что инвестировать в попытку создания подобных технологий желающих может и не найтись.

Чтобы вычислить температуру во внутреннем ядре, французские исследователи сделали всё возможное для воссоздания сверхвысоких температур и давления ядра в лабораторных условиях. Имитация давления является самой сложной задачей: на такой глубине оно достигает значения 330 гигапаскалей, что в три миллиона раз превышает атмосферное давление.

Чтобы решить её, использовалась ячейка с алмазными наковальнями. Она представляет собой два алмаза конической формы, которые воздействуют на материал с двух сторон на площади диаметром менее миллиметра; таким образом, на образец железа оказывалось давление в 200 гигапаскалей. Затем железо нагревалось при помощи лазера, подвергалось дифракционному анализу рентгеновскими лучами для наблюдения перехода от твёрдого к жидкому состоянию при таких кондициях. Наконец, учёные внесли поправки в полученные результаты для давления в 330 гигапаскалей, получив температуру покрытия внутреннего ядра 5957 плюс-минус 500 градусов. Внутри самого ядра она, по всей видимости, ещё выше.

Почему же переосмысление температуры ядра планеты имеет большое значение?

Магнитное поле Земли генерируется именно ядром и влияет на множество событий, происходящих на поверхности планеты - например, удерживает атмосферу на месте. Знание, что температура ядра на тысячу градусов выше, чем считалось ранее, пока не даёт никаких практических областей применения, но может пригодиться в будущем. Новое значение температуры будет использоваться в новых сейсмологических и геофизических моделях, которые в будущем вполне могут привести к серьезным научным открытиям. По большому же счёту, более полная и точная картина окружающего мира ценна для учёных сама по себе.

Чтобы рассчитать, каких значений достигает давление внутри Земли, вызванное весом горных пород, слагающих различные оболочки, нужно знать плотность пород на всех глубинах и величину силы тяжести также на всех глубинах вплоть до центра.

Как мы видели, плотность пород с глубиною растет, хотя и неравномерно. От 2,5 на поверхности она доходит до 3,4 на глубине около 100 км и до 6,0 на уровне 2900 км ниже поверхности. Здесь, на границе ядра, в величине плотности наблюдается скачок: она сразу достигает значения 9,5 (приблизительно), а далее снова растет равномерно, доходя в центре ядра до 12,5 (по М. С. Молоденскому, 1955) (см. рис. 8).

Рис. 8. Изменение плотности внутри Земли.

Что касается силы тяжести, то о ней можно сказать следующее. Сила тяжести - сила, с которой Земля притягивает к себе все тела. Под влиянием этой силы тела, находящиеся в свободном состоянии (например, в воздухе), падают на Землю, т. е. движутся по направлению к центру Земли, постепенно убыстряясь, т. е. получая «ускорение». Величину «ускорения силы тяжести» можно вычислить. На поверхности Земли ускорение силы тяжести равно приблизительно 9,8 м/сек 2 ; в глубине Земли оно сначала немного возрастает, достигая максимума близ поверхности ядра, а затем быстро падает, доходя в центре Земли до нуля (рис. 9). Это понятно: точка, находящаяся в центре земного шара, притягивается всеми окружающими ее частями, с одинаковой силой по всем радиусам, а в итоге равнодействующая будет равна нулю.

Рис. 9. Изменение ускорения силы тяжести внутри Земли.

Обладая указанными сведениями, мы можем вычислить вес столбика пород с поперечным сечением, равным 1 кв. сантиметру, и длиной, равной радиусу Земли или любой его части. Это и будет давление, оказываемое весом вышележащих пород на элементарную площадку (1 кв. см )в глубине Земли. Расчеты приводят к следующим цифрам: у «подошвы» земной коры, т. е. у основания сиалической оболочки (на глубине 50 км ) - около 13 тыс. атмосфер, т. е. около 13 тонн на квадратный сантиметр; на границе ядра - около 1,4 миллиона атмосфер; в центре Земли - около 3 млн. атмосфер (рис. 10). Три миллиона атмосфер - это приблизительно три тысячи тонн на квадратный сантиметр. Это - огромная величина. Ни в одной лаборатории достичь таких давлений пока не удалось.

Рис. 10. Изменения давления внутри Земли.

Перейдем к температуре. По данным измерений в буровых скважинах, а также в шахтах, выяснено, что с глубиной температура растет, поднимаясь приблизительно на 3° на протяжении каждых 100 метров. Подобный темп роста температуры сохраняется всюду, на всех материках, но лишь в наружных частях Земли, близ самой ее поверхности. С глубиной величина «геотермического градиента» (геотермический градиент - изменение температуры в градусах на каждый сантиметр) падает. Вычисления, основанные на учете теплопроводности горных пород, показывают, что геотермический градиент, известный для наружных частей земного шара, сохраняется не далее, чем на протяжении первых 20 км ; ниже рост температуры заметно замедляется. У подошвы сиалической оболочки вряд ли температура будет выше 900°; на глубине 100 км - около 1500°; дальше рост ее еще более замедляется. Что касается центральных частей Земли, в частности ядра, то с достоверностью о них оказать что-либо очень трудно. Специалисты, изучавшие этот вопрос, полагают, что недра Земли нагреты не выше, чем на 2–3 тысячи градусов (рис. 11).

Рис. 11. Изменение температуры внутри Земли.

Может быть, интересно для сравнения напомнить, что в центре Солнца температура оценивается в 1 миллион градусов, на поверхности Солнца - около 6000°. Волосок горящей электрической лампочки накален до 3000°.

Интересные данные имеются по вопросу об источниках тепла и тепловом режиме земного шара. Когда-то считалось, что Земля сохраняет в себе «первозданное» тепло, оставленное ей «в наследство» Солнцем, и постепенно теряет его, остывая и сокращаясь в объеме. Открытие радиоактивных элементов изменило прежние представления. Оказалось, что породы, слагающие земную кору, содержат радиоактивные элементы, которые самопроизвольно и непрерывно выделяют тепло. Количество этого тепла оценивается приблизительно в 6 миллионных долей малой калории на 1 кубический сантиметр породы в год, а для того, чтобы покрыть весь расход тепла, излучаемого земной поверхностью в мировое пространство, нужно, чтобы такой же элементарный кубик породы выделял всего лишь три десятимиллионные части малой калории в год. Другими словами, нет никаких оснований полагать, что земной шар остывает. Скорее, наоборот, он может разогреваться. На этом основании в последние годы предложены новые гипотезы развития земной коры и происхождения движений, испытываемых ею.

Учитывая наличие высокой температуры в недрах Земли, мы вправе поставить такой вопрос: в каком же физическом («агрегатном») состоянии находятся внутренние части Земли? В твердом или жидком, или, быть может, газообразном?

Последняя версия, т. е. представление о газообразном состоянии вещества внутри Земли, может быть сразу отклонена. Чтобы превратить в газ минералы, слагающие Землю, нужна гораздо более высокая температура, чем та, которая допустима, судя по изложенным выше данным.

Но в жидком состоянии породы могут оказаться. Известно, например, что «кислые» породы плавятся при 1000°, «основные» - при 1000–1200°, «ультраосновные» - при 1300–1400°. Это значит, что уже на глубине 100–130 км породы должны бы расплавиться. Но там очень высокое давление, а давление повышает температуру плавления. Чье же влияние окажется бóльшим: высокой температуры или высокого давления?

Здесь нужно снова обратиться к помощи сейсмических наблюдений. Продольные и поперечные волны свободно проходят через все оболочки Земли, заключенные между поверхностью Земли и границей ядра; следовательно, всюду здесь вещество ведет себя, как твердое. С таким выводом согласуется заключение астрономов и геофизиков, которые показали, что твердость Земли в целом близка к твердости стали. По вычислениям В. Ф. Бончковского, твердость Земли оценивается в 12 · 10 11 дин на квадратный сантиметр, что в четыре раза больше твердости гранита.

Таким образом, совокупность современных данных говорит о том, что все оболочки Земли (кроме ее ядра!) должны считаться находящимися в твердом состоянии. Жидкое состояние материи можно допустить лишь для совершенно незначительных участков в толще земной коры, с которыми непосредственно связаны вулканы.

В какие незапамятные времена это происходило? Все эти вопросы давно уже волновали человечество. А многим ученым хотелось поскорее узнать, что там, в глубине? Но оказалось, что изучить все это не так уж и легко. Ведь и сегодня, имея все современные приспособления для проведения всевозможных исследований, человечеству под силу пробурить скважины в недра всего лишь на каких-то пятнадцать километров - не более. А для полноценных и всесторонних опытов нужная глубина должна быть на порядок больше. Поэтому научным работникам и приходится вычислять, как образовалось ядро Земли, при помощи разнообразных высокоточных приборов.

Изучение Земли

Еще с древних времен люди изучали горные породы, обнаженные естественным путем. Обрывы и склоны гор, крутые берега рек и морей... Здесь воочию можно наблюдать существовавшие, наверное, миллионы лет назад. А в некоторых подходящих местах пробуриваются скважины. Одна из таких - на Ее глубина - пятнадцать тысяч метров. Шахты, которые люди прорывают для также помогают изучать внутреннее Ядро, конечно же, они «достать» не могут. Но зато из этих шахт и скважин ученые могут извлекать образцы породы, узнавая таким способом об их изменении и происхождении, строении и составах. Минус этих методов в том, что они способны исследовать только сушу и только верхнюю часть коры Земли.

Воссоздание условий в ядре Земли

А вот бесконтактно проникать все глубже и глубже ученым помогают геофизика и сейсмология - науки о землетрясениях и геологическом составе планеты. При помощи изучения сейсмических волн и их распространения выясняется, из чего состоит и мантия, и ядро (определяется аналогично, например, с составом упавших метеоритов). Подобные знания базируются на полученных данных - косвенных - о физических свойствах веществ. Также сегодня изучению способствуют и современные данные, получаемые с искусственных спутников, находящихся на орбите.

Строение планеты

Ученым удалось понять, обобщив полученные данные, что строение Земли является сложным. Она состоит как минимум из трех неравнозначных частей. В центре находится небольшое ядро, которое окружает огромная мантия. Мантия занимает примерно пять шестых всего объема Земного шара. А сверху все покрывает довольно тонкая наружная кора Земли.

Строение ядра

Ядро - это центральная, серединная часть. Она делится на несколько слоев: внутренний и внешний. По мнению большинства современных ученых, внутреннее ядро является твердым, а внешнее - жидкостным (пребывает в расплавленном состоянии). А еще ядро очень тяжелое: оно весит больше трети массы всей планеты при объеме чуть более 15-ти. В ядре температура довольно высока, она составляет от 2000 до 6000 градусов по Цельсию. По предположениям науки, центр Земли состоит из железа и никеля в основном. Радиус этого тяжелого сегмента - 3470 километров. А площадь его поверхности составляет около 150 миллионов квадратных километров, что примерно равно площади всех материков на поверхности Земли.

Как образовалось ядро Земли

Информации о ядре нашей планеты очень мало, и она может быть получена только косвенным путем (отсутствуют образцы пород ядра). Поэтому и теории могут быть высказаны лишь гипотетически о том, как образовалось ядро Земли. История Земли насчитывает миллиарды лет. Большинство ученых придерживается теории, что вначале планета формировалась как довольно однородная. Процесс выделения ядра начался позднее. А состав его - никель и железо. Как образовалось ядро Земли? Расплав этих металлов постепенно опускался к центру планеты, формируя ядро. Это происходило за счет большего удельного веса расплава.

Альтернативные теории

Существуют и противники данной теории, приводящие свою, вполне резонную аргументацию. Во-первых, эти ученые ставят под сомнение факт прохождения сплава железа и никеля в центр ядра (а это более 100 километров). Во-вторых, если предположить выделение никеля и железа из силикатов, подобных метеоритным, то должна была произойти и соответствующая реакция восстановления. Она, в свою очередь, должна была сопровождаться выделением огромного количества кислорода, образуя атмосферное давление в несколько сот тысяч атмосфер. А свидетельства о существовании в прошлом Земли такой атмосферы отсутствуют. Потому и были выдвинуты теории об изначальном образовании ядра при формировании всей планеты.

В 2015 оксфордские ученые и вовсе предложили теорию, согласно которой ядро планеты Земля состоит из урана и имеет радиоактивность. Это косвенно доказывает и столь продолжительное существование магнитного поля у Земли, и тот факт, что в нынешние времена наша планета излучает намного больше тепла, чем предполагалось предыдущими научными гипотезами.

Почему земное ядро не остывает и остается разогретым до температуры приблизительно 6000°C на протяжении уже 4,5 млрд лет? Вопрос крайне сложный, на который к тому же наука не может дать на 100% точный вразумительный ответ. Однако на это есть объективные причины.

Излишняя таинственность

Излишняя, так сказать, таинственность земного ядра связана с двумя факторами. Во-первых, никто достоверно не знает как, когда и при каких обстоятельствах оно сформировалось, - происходило это во время формирования протоземли либо уже на ранних стадиях существования сформированной планеты - все это большая загадка. Во-вторых, образцы из земного ядра достать абсолютно невозможно - наверняка никто не знает из чего оно состоит. Более того, все данные, которые нам известны о ядре собраны по косвенным методам и моделям.

Почему ядро Земли остается горячим?

Чтобы попытаться понять почему земное ядро не остывает на протяжении столь длительного времени нужно для начала разобраться за счет чего оно нагрелось изначально. Недра нашей как и любой другой планеты неоднородны, они представляют собой относительно четко разграниченные слои разной плотности. Но так было не всегда: тяжелые элементы медленно опускались вниз, формируя внутренне и внешнее ядро, легкие - вытеснялись на верх, образуя мантию и земную кору. Этот процесс протекает предельно медленно и сопровождается выделением тепла. Однако основной причиной нагрева было не это. Вся масса Земли с огромной силой давит на ее центр, продуцируя феноменальное давление в приблизительно 360 ГПа (3,7 млн атмосфер) в результате чего начал происходить распад радиоактивных долгоживущих элементов, содержащихся в железно-кремниево-никелевом ядре, что и сопровождалось колоссальными выбросами тепла.

Дополнительным источником нагрева служит кинетическая энергия, генерируемая в результате трения между различными слоями (каждый слой вращается независимо от другого): внутреннего ядра с внешним и внешнего с мантией.

Недра планеты (пропорции не соблюдены). Трение между собой трех внутренних слоев служит дополнительным источником нагрева.

Исходя из выше изложенного, можно сделать вывод, что Земля и в частности ее недра являются самодостаточной машиной, которая сама себя отапливает. Но вечно так естественно продолжаться не может: запасы радиоактивных элементов внутри ядра медленно исчезают и больше не чему будет поддерживать температуру.

Оно остывает!

Вообще-то процесс остывания уже начался очень давно, но протекает он крайне медленно - по доле градуса в столетие. По приблизительным подсчетам до полного остывания ядра и прекращения в нем химических и др. реакций пройдет не меньше 1 миллиарда лет.

Короткий ответ: Земля и в частности земное ядро - это самодостаточная машина, которая сама себя отапливает. Вся масса планеты давит на ее центр, продуцируя феноменальное давление и запуская тем самым процесс распада радиоактивных элементов, в результате чего и выделяется тепло.